随着航天任务对卫星有效载荷姿态精度要求不断提高，卫星配置的姿态确定系统的精度随之不断提高，而有效载荷的姿态通常由姿态确定系统姿态通过安装矩阵得到。安装误差的存在导致了载荷姿态无法准确获得。虽然通过地面标定可确定卫星各系统安装矩阵，但是卫星在轨运行过程中，由空间环境导致的热变形等干扰使安装矩阵具有时变特性，原有姿态确定算法已无法满足精度要求。近年来小卫星、微星、纳星的发展迅速，重量体积不断缩小，并向低成本、商业化发展。但是小卫星任务需求不断提高，对姿态测量精度也不断提高。星敏感器可以满足角秒级姿态确定要求，但是其质量、体积、功耗和成本使其在微小卫星领域不受欢迎。随着高速星载计算机的发展，实时图像处理的计算量不再是瓶颈。所以，利用成像载荷自身获得的图像信息进行姿态确定显得非常重要。利用成像载荷进行卫星导航和姿态确定属于航天器自主导航范围，是未来自主导航的发展趋势，其优点是减少地面测控和通信的成本、降低卫星成本、提高卫星的生存能力和提高卫星任务的灵活性。本论文研究了遥感卫星利用其自身携带的成像载荷相机进行卫星姿态确定的方法，主要内容如下：首先，系统描述和总结了欧拉角、四元数、欧拉轴角和方向余弦矩阵的特点和关系，推导了小视场角摄像机的测量几何模型，并针对遥感卫星对地定向时的测量特征，根据地面亮度分布和地面辐射特性，推导了CCD感光元件的每个像素的输出信号与地面辐射和相机结构特性的关系。另外，讨论了卫星在轨道、姿态变化与地面某区域在相机像平面上变换的关系，对其线性化并分析了基于成像载荷进行姿态确定的可行性和前提条件。然后，针对有已知参考地标或星标点的卫星姿态确定问题利用特殊正交群SO(3)设计了相应的非线性滤波姿态确定方法，重点研究非完备信息条件下的单个参考点的姿态确定方法。给出用于姿态确定的多矢量定姿算法；设计了对地定向状态小视角的卫星成像载荷的单地标点的姿态确定方法，讨论其可行性，并对其进行改进，提出了复合单地标姿态确定方法和地面布点策略；针对卫星翻滚状态，设计了基于单个天体参考矢量的姿态确定方法，为星箭分离后的卫星提供姿态基准。并给出了几种单一参考点的精度、稳定性的对比。结果表明，以上方法在姿态测量信息非完备的条件下，也可以达到较高精度。最后，针对无地标的对地定向卫星提出了一种基于SURF图像匹配的姿态递推方法。该方法对一组相机拍摄地球表面的重叠图像序列进行图像匹配，可以计算每次拍照时，卫星的三轴姿态，从而缓解遥感任务的高成本的地标设置。并且，在卫星保持对地定向时，且其他敏感器（如星敏感器）不可用时，计算卫星姿态，提高可靠性并延长整个卫星的在轨使用寿命。仿真结果表明，不同地面特点，轨道高度和光照条件对姿态确定结果的精度影响较大，低轨遥感卫星的姿态确定精度较高，且白天光照条件的精度较高；而高轨成像卫星或地面成像区域过于平整时不适宜使用此方法。